Nghiên cứu giải pháp quản lý năng lượng cho mạng cảm biến không dây

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRẦN THANH HÀ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP QUẢN LÝ NĂNG LƢỢNG CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRẦN THANH HÀ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP QUẢN LÝ NĂNG LƢỢNG CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Chuyên ngành : Vật lý vô tuyến điện tử Mã số : 60440105 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ QUANG THẢO Hà Nội - 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận văn: “Nghiên cứu giải pháp quản lý lƣợng cho mạng cảm biến không dây” Là thân thực dƣới hƣớng dẫn TS Lê Quang Thảo Các số liệu, kết đƣợc trình bày luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Tác giả Trần Thanh Hà LỜI CẢM ƠN Để hoàn thiện luận văn, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hƣớng dẫn tôi, TS.Lê Quang Thảo.Trong suốt trình thực luận văn, thầy tận tìnhhƣớng dẫn, giúp đỡ để tơi hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn Thầy cô giáo Bộ môn Vật lý Vô tuyến, Khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội truyền đạt cho tơi kiến thức kinh nghiệm q báu trình học tập nghiên cứu Nghiên cứu tài trợ Đại học Quốc gia Hà Nội đề tài mã số QG.17.09.Tôi xin trân trọng cảm ơn tài trợ q báu Tơi xin cảm ơn đến cán quản lý thiết bị, máy móc thuộc danh mục thiết bị bảng A đƣợc trang bị Bộ môn Vật lý Vô tuyến, Khoa Vật lý Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội Các thiết bị đƣợc sử dụng gồm: “Dao động ký số điện tử DL1720E, Keithly 2000…” Tơi bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè,đồng nghiệp, ngƣời ủng hộ động viên giúp đỡ thời gian làm luận văn Hà Nội, tháng 12 năm 2017 Trần Thanh Hà MỤC LỤC MỞ ĐẦU………………………………………………………………………………1 CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Khái niệm 1.2 Kiến trúc mạng cảm biến không dây 1.2.1.Lớp vật lý 1.2.2.Lớp liên kết liệu 1.2.3.Lớp mạng 1.2.4.Lớp giao vận 1.2.5.Lớp ứng dụng 10 1.3 Ứng dụng mạng cảm biến không dây 11 1.3.1.Ứng dụng lĩnh vực y tế chăm sóc sức khỏe 11 1.3.2.Ứng dụng lĩnh vực môi trƣờng 12 1.3.3.Ứng dụng vào thiết bị nhà 14 1.3.4 Ứng dụng công nghiệp 14 1.3.5.Ứng dụng lĩnh vực quân 15 Kết luận chƣơng 15 CHƢƠNG NGUYÊN NHÂN MẤT MÁT NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 16 2.1 Node cảm biến 17 2.1.1 Vi điều khiển (MCU) 17 2.1.2 Radio (Transceiver) 18 2.1.3 Bộ nhớ 19 2.1.4 Cảm biến 19 2.2 Quá trình truyền liệu 20 2.3 Truyền thông 22 Kết luận chƣơng 27 CHƢƠNG TIÊU THỤ NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN 28 KHÔNG DÂY 28 3.1 Kiến trúc node cảm biến 28 3.2 Nguồn lƣợng 32 3.3 Giao thức MAC 33 Kết luận chƣơng 36 CHƢƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM, TÍNH TỐN NĂNG LƢỢNG 38 CHO MỘT MẠNG CẢM BIẾN 38 4.1 Năng lƣợng mạng 38 4.2.Các phƣơng pháp đo lƣợng thƣờng dùng 39 4.2.1 Phƣơng pháp đo sử dụng đồng hồ đầu kẹp 39 4.2.2 Phƣơng pháp đo sử dụng siêu tụ điện 40 4.2.3 Phƣơng pháp đo sử dụng điện trở Shunt 41 4.3.Khảo sát tiêu thụ lƣợng node 42 4.3.1 Tiêu thụ lƣợng vi điều khiển 44 4.3.2 Tiêu tốn lƣợng cảm biến 44 4.3.3 Tiêu tốn lƣợng thu phát vô tuyến 48 4.4 Tiêu thụ lƣợng mạng 51 4.4.1 Số lƣợng node có mạng 52 4.4.2 Tốc độ truyền liệu mạng 53 4.4.3 Số lần gửi lặp lại (retry) 54 4.4.4 Công suất phát 55 4.5 Giải pháp đề xuất 56 Kết luận chƣơng 58 KẾT LUẬN CHUNG 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 PHỤ LỤC 64 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Cụm từ Nghĩa tiếng Việt ACK Acknowledgement Tín hiệu sử dụng truyền thông số để đảm bảo liệu đƣợc nhận ADC Analog Digital Converter Bộ chuyển đổi tƣơng tự - số ARQ Automatic Repeat Request Tự động lặp lại yêu cầu Vi điều khiển họ AVR AVR CMOS ComplementaryMetal Oxide Semiconductor Mạch cơng nghệ tích hợp CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm GPRS General Service Dịch vụ gói tin vơ tuyến tổng hợp ID Identification IEEE Institute of Electrical and Viện điện, điện tử quốc tế Electronics Engineers Packet Radio Nhận diện ISM Industrial, Scientific and Chuẩn công nghiệp, nghiên cứu khoa Medical học y tế FEC Forward Errorcorrection Sửa lỗi chuyển tiếp LCD Liquid Crystal Display Màn hiển thị tinh thể lỏng LPL Low Power Listening Chế độ nghe công suất thấp LR-WPANs Low-rate Wireless Personal Mạng cá nhân không dây tốc độ thấp Area Networks MAC Media Access Control Điều khiển truy cập đƣờng truyền MCU Microcontroller unit Đơn vị vi xử lý trung tâm NACK Negative acknowledgement Tín hiệu xác thực phủ định OSI Open System Mơ hình tham chiếu kết nối hệ Interconnection Reference thống mở model PLL Phase – locked loop Vòng khóa pha PA Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RF Radio frequency Tần số radio RISC Reduced Instruction Computer RX Receiver Máy thu SPI Serial Peripheral Interface Giao tiếp ngoại vi nối tiếp TCP Transmission Protocol Giao thức điều khiển truyền vận TX Transmitter Set Control Máy phát Tên riêng kiến trúc UWASA UWASA VCO Voltage Oscillator WSNs Wireless Sensor Networks ZigBee Cấu trúc tập hợp lệnh rút gọn Controlled Bộ điều khiển dao động theo điện áp Mạng cảm biến không dây Tên riêng giao thức mạng không dây ZigBee DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.Cấu hình node khảo sát tiêu thụ lƣợng đọc cảm biến…… 42 Bảng Bảng so sánh mức tiêu thụ lƣợng thực tế vài chế độ vi điều khiển so với thơng số nhà sản xuất……………………………………………………44 Bảng 3.Cấu hình gói liệu truyền tin mô đun vô tuyến nRF24L01………48 Bảng Các thông số node cảm biến để khảo sát lƣợng mạng cảm biến……………………………………………………………………………………52 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1.Cấu trúc mạng cảm biến Hình 2.1.Năng lƣợng tiêu thụ node cảm biến MicaZ 17 Hình 2.2 Mơ hình lƣợng đơn giản 26 Hình 3.1 Sơ đồ node cảm biến 29 Hình 3.2 Năng lƣợng tiêu thụ mạng cảm biến 30 Hình 3.3 Cơ chế hoạt động S-MAC 34 Hình 3.4 Chu kì hoạt động T-MAC 35 Hình 4.1 Phƣơng pháp đo lƣợng đồng hồ đầu kẹp 40 Hình 4.2 Phƣơng pháp đo lƣợng sử dụng siêu tụ điện 41 Hình 4.3.Phƣơng pháp đo lƣợng sử dụng điện trở Shunt 41 Hình 4.4 Sử dụng điện trở Shunt để khảo sát tiêu thụ lƣợng node cảm biến 43 Hình 4.5 Các trình tiêu thụ lƣợng node đọc cảm biến 44 Hình 4.6.Tiêu tốn lƣợng node đọc giá trị cảm biến DHT11 45 Hình 4.7 Tiêu tốn lƣợng node đọc giá trị ADC từ quang trở (CdS) 46 Hình 4.8 Tiêu tốn lƣợng node truyền liệu mô-đun vô tuyến nRF24L01 49 Hình 4.9 Đo tiêu thụ lƣợng node truyền liệu 50 Hình 4.10 Sơ đồđo lƣợng mạng 52 Hình 4.11 Ảnh hƣởng tốc độ truyền liệu đến lƣợng node cảm biến 54 Hình 4.12 Ảnh hƣởng cơng suất đầu tới lƣợng tiêu thụ 56 KẾT LUẬN CHUNG Trong thời gian phạm vi cho phép thực luận văn "Nghiên cứu giải pháp quản lý lƣợng cho mạng cảm biến không dây”, tác giả tiến hành nghiên cứu tổng quan đặc tính, ƣu nhƣợc điểm, thách thức, cấu trúc mạng cảm biến không dây Với khả tự tổ chức, xử lý tín hiệu tốt giá thành hợp lý, mạng cảm biến không dây đƣợc ứng dụng nhiều lĩnh vực nhƣ quân sự, môi trƣờng, công nghiệp, y tế thiết bị nhà Khi áp dụng mạng cảm biến không dây vào thực tế mang lại nhiều hiệu nhiên lƣợng tiêu thụ thách thức lớn với chất lƣợng tuổi thọ mạng Nguyên nhân gây mát lƣợng thành phần phần cứng, kiến trúc phần mềm tác động từ bền Tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể mà thiết kế mạng cho hợp lý để tối lƣợng tiêu thụ.Trong đó, cần ý đến cấu trúc node cảm biến với thành phần xử lý, đơn vị cảm biến thu phát vô tuyến, ngồi có giao thức MAC nguồn cấp lƣợng cho mạng Bên cạnh đó, lƣợng tiêu thụ mạng bị chi phối trọng tải mạng, tốc độ liệu, tỉ lệ lấy mẫu, số lƣợng node cảm biến hay công suất đầu Từ việc nghiên cứu nguyên nhân gây mát lƣợng mạng trình tiêu thụ lƣợng mạng, luận văn tiến hành khảo sát thực nghiệm tiêu hao lƣợng mạng tốc độ truyền cơng suất phát tốn thu thập thông số môi trƣờng biến đổi chậm (nhiệt độ, độ ẩm ánh sáng) Qua đó, đề xuất số giải pháp nhằm sử dụng hiệu lƣợng mạng Các giải pháp đƣa giảm số lƣợng node cảm biến, thực truyền trực tiếp từ node đến trạm gốc, giảm số lần lấy mẫu thiết lập chế độ ngủ khác cho node thực nhiệm vụ khác Trong giải pháp đƣa giải pháp giảm số lƣợng node cảm biến có hạn chế phù hợp với mạng có quy mơ nhỏ, thƣờng sử dụng ứng dụng gia đình mạng cá nhân với phạm 60 vikhông rộng.Đối giải pháp truyền trực tiếp từ node mạng đến trạm trung tâm có nhiều thuận lợi đáp ứng đƣợc cho mạng có phạm vi rộng lớn, nhiên có hạn chế đòi hỏi kiến trúc node mạng nhƣ trạm trung tâm phải đảm bảo mặt kĩ thuật Giải pháp giảm số lần lấy mẫu phù hợp cho mạng có quy mơ lớn thƣờng đƣợc sử dụng để làm nhiệm vụ cảm biến, thu thập số liệu với thơng số có biến đổi khơng nhanh ví dụ thơng số môi trƣờng nhƣ nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm.Giải pháp thứ tƣ thiết lập chế độ ngủ cho node thực nhiệm vụ khác giải pháp hiệu cho tốn với mơ hình mạng cảm biến lớn Với giải pháp vận dụng phù hợp cho kịch mạng mang lại hiệu cao.Với hạn chế gặp phải nhƣ trình bày, thời gian tới tác gải nghiên cứu, tìm hiểu thêm giải pháp hồn thiện 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Lê Văn Doanh (2001), Các cảm biến kĩ thuật đo lường điều khiển, NXB Khoa học Kỹ thuật Nguyễn Trung Dũng (2014), Nghiên cứu phát triển định tuyến tiết kiệm lượng cho mạng cảm biến không dây Luận án Tiến sỹ ĐH Bách Khoa Hà Nội (tr 10-23) Phan Quốc Phô (chủ biên), Nguyễn Đức Chiến, Giáo trình cảm biến, NXBKHKT Tiếng Anh Amit Sharma, Energy Management for Wireless Sensor Network Nodes, International Journal of Advances in Engineering & Technology, Mar 2011 Atmega http://www.microchip.com/design-centers/8-bit/microchip-avr-mcus Ian F Akyildiz, Wireless Sensor Networks, University of Nebraska-Lincoln, USA Jamal N Al-Karaki, Routing Techniques in Wireless Sensor Networks: A Survey Jennifer Yick, Biswanath Mukherjee, Dipak Ghosal, Wireless sensor network survey J Hénaut, A Lecointre, D Dragomirescu, R Plana, Radio Interface for High Data Rate Wireless Sensor Networks, University of Toulouse 10 Jussi Haapola, Zach Shelby, Cross-layer Energy Analysis of Multi-hop Wireless Sensor Networks, University of Oulu, Finland P.O Box 4500 FIN-90014, University of Oulu, Finland Aachen University, RWTH, Institute of Wireless Networks Kackertstraße 9, D-52072 Aachen, Germany 11 Mark A Perillo and Wendi B Heinzelman, Wireless Sensor Network Protocols 12 Muhammad R Ahmed, Wireless Sensor Network: Characteristics and Architectures, World Academy of Science, Engineering and Technology International Journal of Information and Communication Engineering Vol:6, No:12, 2012 62 13 Nanhao ZHU, Simulation and Optimization of Energy Consumption on Wireless Sensor Networks, 2013 14 nRF24L01 Datasheet 15 Peilin Zhang, Wireless sensor system for monitoring and control, University of Vaasa Faculty of Technology Telecommunication Engineering 16 Prasan Kumar Sahoo, Jang Ping Shue, Modeling IEEE802.15.4 based Wireless Sensor Network with packet retry limits 17 Quanjun Chen, Analysis and Application of Hop Count in Multi-hop Wireless Adhoc Networks, Civil Aviation University of China, 1999 18 Sukhwinder Sharma, Rakesh Kumar Bansal, Savina Bansal, Issues and Challenges in Wireless Sensor Networks, 2013 International Conference on Machine Intelligence Research and Advancement 19 Vibhav Kumar Sachan, Energy-efficient Communication Methods in 20 Weilian Su, Ozgiir B Akan, and Erdal Cayirci, Communication Protocols for Sensor Networks 21 Wireless Sensor Networks: A Critical Review, International Journal of Computer Applications (0975 – 8887) 63 PHỤ LỤC Chƣơng trình đọc cảm biến DHT11 #define DDROUT #define DDRIN #define DHT_ER #define DHT_OK #define TEM #define HUM #define DHT_DATA_IN PINC.5 #define DHT_DATA_OUT PORTC.5 #define DHT_DDR_DATA DDRC.5 //=============================================== unsigned char DHT(unsigned char *temp,unsigned char *humd) { unsigned char buffer[5]={0,0,0,0,0}; unsigned char ii,i,checksum; DHT_DDR_DATA=DDROUT; DHT_DATA_OUT=1; delay_us(60); DHT_DATA_OUT=0; delay_ms(25); DHT_DATA_OUT=1; DHT_DDR_DATA=DDRIN; delay_us(60); if(DHT_DATA_IN)return DHT_ER ; else while(!(DHT_DATA_IN)); delay_us(60); if(!DHT_DATA_IN)return DHT_ER; else while((DHT_DATA_IN)); 64 for(i=0;i